Techno-economic evaluation of options for large-scale hydrogen transport

Green hydrogen is expected to play an important role in tackling climate change. The transport of hydrogen from regions rich in renewable energy resources, exploitable at a low cost, to countries with a high energy consumption, but limited resources, involves its conversion to a “hydrogen carrier”, a substance capable of efficiently storing it. Techno-economic analyses are carried out on the value chains of ammonia (NH3) and liquefied hydrogen (LH2) for H2 transportation. Two case studies are examined: a European scenario and an Asian scenario. The European scenario is representative of the early stages of green hydrogen delivery infrastructure development, with a moderate hydrogen input flow rate (44 t/d), a relatively short sea transport distance (2500 km), and the use of conventional fuels, such as diesel or marine fuel, for transportation by ship and truck. The Asian scenario represents a future where large-scale hydrogen export projects are well established, with a high hydrogen input flow rate (440 t/d), a relatively high sea transport distance (7500 km), and the consumption of hydrogen or ammonia as fuel for transportation by ship and truck. The value chain involves H2 conversion to the carrier, storage, maritime transport, distribution and carrier reconversion to H2. For LH2 the conversion and reconversion processes correspond to liquefaction and regasification, while for NH3 they correspond to ammonia synthesis and cracking. These processes, together with the operations at the export terminal, are simulated using adequate software to get material and energy balances useful for the economic and energetic assessments. NH3 emerges as the most cost-effective carrier if hydrogen is destined to a hydrogen valley to serve nearby industries. The synthesis of ammonia, starting from green hydrogen, stands out as the primary cost driver of the value chain, followed by the ammonia cracking process. Ammonia cracking process is the main source of energy inefficiency, which highlights the advantage of avoiding this step and using ammonia directly where feasible. When considering the final application of H2 in the transport sector, which involves its distribution to multiple refuelling stations operating at high pressure, both NH3 and LH2 are cost-effective carriers, provided that reconversion to hydrogen takes place at the refuelling stations. However, LH2 is the most energy efficient. In its value chain, the liquefaction process is the main cost driver and source of energy inefficiency, followed by LH2 storage and sea transport, for which the management of the boil-off gas generated is crucial also from the technical perspective. The effect of scale on economics is more significant when considering the application of hydrogen in the industrial sector, which involves centralised processes. While it is less appreciable for its application in the transport sector because the operations at the refuelling stations are not scalable.

L'idrogeno verde è destinato a svolgere un ruolo importante nella lotta al cambiamento climatico. Il trasporto dell'idrogeno da regioni con abbondanti risorse rinnovabili, sfruttabili a basso costo, verso paesi con un elevato fabbisogno energetico, ma risorse limitate, implica la sua conversione in un "vettore di idrogeno", una sostanza in grado di immagazzinarlo in modo efficiente. Le catene di approvvigionamento basate sull’ammoniaca e sull’idrogeno liquefatto vengono studiate tramite analisi tecnico-economiche. A tal scopo, sono stati presi in esame due casi-studio: uno “scenario europeo” e uno “scenario asiatico”. Lo “scenario europeo” rappresenta le fasi iniziali dello sviluppo dell’infrastruttura per la distribuzione dell’idrogeno verde. Si caratterizza per un flusso di idrogeno in ingresso moderato (44 tonnellate al giorno), una distanza marittima relativamente breve (2500 km) e l’uso di combustibili convenzionali, come diesel o carburante marino, per il trasporto via nave e camion. Lo “scenario asiatico”, invece, rappresenta un futuro in cui i progetti di esportazione di idrogeno su larga scala sono ben consolidati. In questo caso, il flusso di idrogeno in ingresso è più elevato (440 tonnellate al giorno), la distanza marittima è più lunga (7500 km) e il trasporto via nave e camion avviene utilizzando idrogeno o ammoniaca come combustibile. La catena di approvvigionamento comprende la conversione dell’idrogeno al vettore scelto, lo stoccaggio, il trasporto marittimo, la distribuzione e la riconversione del vettore a idrogeno. Per l'idrogeno liquefatto, i processi di conversione e riconversione corrispondono alla liquefazione e alla rigassificazione, mentre per l'ammoniaca corrispondono alla sintesi e al cracking dell'ammoniaca. Questi processi, insieme alle operazioni presso il terminale di esportazione, vengono simulati utilizzando software specifici per ottenere bilanci di materia ed energia utili alle valutazioni economiche ed energetiche. L'ammoniaca risulta il vettore più conveniente quando l'idrogeno è destinato a una "hydrogen valley", ossia un polo industriale che lo utilizza. Il costo principale nella catena di approvvigionamento è rappresentato dalla sintesi dell’ammoniaca a partire dall’idrogeno verde, seguita dal processo di cracking dell’ammoniaca, che è anche la principale fonte di inefficienza energetica. Questo evidenzia il vantaggio di evitare il cracking e utilizzare direttamente l’ammoniaca laddove possibile. Per l’applicazione dell'idrogeno nel settore dei trasporti, che prevede la distribuzione a più stazioni di rifornimento operanti ad alta pressione, sia l’ammoniaca che l’idrogeno liquefatto risultano vettori convenienti, a condizione che la riconversione a idrogeno gassoso avvenga presso le stazioni di rifornimento. Tuttavia, l'idrogeno liquefatto risulta più efficiente dal punto di vista energetico. In questa catena di approvvigionamento, il processo di liquefazione rappresenta il principale fattore di costo e di inefficienza energetica, seguito dallo stoccaggio e dal trasporto marittimo, per i quali la gestione del “boil-off gas” generato è cruciale anche dal punto di vista tecnico. L’economia di scala ha un impatto più significativo quando si considera l’applicazione dell’idrogeno nel settore industriale, che coinvolge processi centralizzati, mentre è meno rilevante per l’applicazione nel settore dei trasporti, dove le operazioni presso le stazioni di rifornimento non sono facilmente scalabili.